基于CPS的多源配电网保护方案

张学军,郭文花,田俊梅

(山西大学 a.电力工程系，b.动力工程系,太原 030006)



基于CPS的多源配电网保护方案

张学军a,郭文花b,田俊梅b

(山西大学 a.电力工程系，b.动力工程系,太原 030006)

摘要:针对传统保护方案不能满足分布式电源接入后配电网继电保护要求的问题，提出了一种基于信息物理融合系统(CPS)思想的多源配电网区域保护方案。方案以CPS保护终端为界将配电网分区,与同一区域关联的CPS终端通过通讯网络共享信息,使每个终端都能获得关联区域边界处的运行参数；嵌入在CPS终端中的计算机程序实时处理获得的信息,判断故障是否在关联区域的内部发生,从而实现区域的保护。

关键词:分布式电源;配电网;继电保护;区域保护;信息物理融合系统

配电网接近终端用户,其供电可靠性和电能质量一直是关注的重点。分布式电源(DG)直接接入配电网运行,在大电网故障时能维持对用户的持续供电,并具有方便、灵活、清洁、高效的特点,其发展和应用得到了各国强力支持。但DG的接入将传统单电源配电网变成了多电源配电网,潮流和故障电流也由单向变成了双向[1];DG的间歇性和不确定性还增加了配电网结构和故障电流的多变性;逆变型电源的短路电流特性决定于故障时采用的控制策略[2],与传统电机型电源有很大的不同;配电网线路短、截面大,难以通过短路电流的大小区分故障发生的位置。这些都增加了含DG的多源配电网继电保护的复杂性。

传统的基于单点信息的保护,如电流保护、距离保护,不能满足多电源配电网继电保护的要求。近年来,在借助通讯设施,依据更多故障前后运行信息来提高保护性能方面做了较多的研究工作。第一类是依据实时获得的DG投退状态、出力及与保护装置的拓扑关系,通过仿真计算来调整保护定值的自适应保护。自适应保护的关键是准确计算逆变型DG对短路电流的贡献。文献[3-5]将逆变型DG等值为理想恒定电流源,文献[6]则等值为恒定功率源。逆变型DG提供的短路电流,除了与控制策略有关外,还与当时的出力、故障的位置及故障的类型有关,将其等值为恒定电流源或恒定功率源是否恰当还需经实践检验。第二类是依据支路过流或故障方向进行拓扑搜索定位故障的方法[7-9],对故障计算的精度要求低,自适应性强,但通讯和计算量都较大。

随着智能电网的建设和发展,通讯网络的覆盖率、性能必将大大提高,各种具有分析控制能力的智能电子设备也将大量使用,未来的电网将是集成和融合了先进的传感技术、信息通讯技术、分析决策技术、自动控制技术、能源电力技术及电网基础设施的信息物理融合系统(CPS,Cyber-Physical System)。在CPS中,通过物理过程、通讯过程和计算过程的集成、融合以及相互作用,实现实时感知、分析计算和动态控制,能使物理系统具有高度的灵活性、自治性、高效性、精确性、可靠性和安全性[10]。CPS概念一经提出就得到了电力科技工作者强力的关注。文献[11]将CPS的概念与电力系统的特点相结合,提出了电力CPS的思路和框架,指出CPS为解决大规模间歇性可再生能源和分布式电源提供了新的途径。文献[12]建立了微电网CPS体系结构,提出了“云端计算”模式,采用了Agent技术构建CPS物理单元。文献[13]将CPS技术应用到了配电网的继电保护中,描述了CPS保护单元和系统的构成,说明了CPS保护较传统保护在性能上的优越性。

笔者在目前研究成果的基础上,提出了基于区域信息,能自适应多源配电网运行方式、故障特性多变的CPS保护方案。通过控制中心与CPS终端以及CPS终端之间的分布协同,实现故障的快速定位、切除和隔离。

1配电网CPS终端

拟采用集测量、通讯、计算、控制及开合功能为一体的CPS终端取代传统配电网中的断路器、重合器、分段器等开关设备。在未来智能配电网中CPS终端的作用将不限于保护,但本文只讨论CPS终端的保护功能。CPS保护是由CPS终端组成的配电网智能保护系统,通过CPS终端的感知、通讯、计算和控制[10-11]来完成故障判断、切除和隔离的任务。为了实现配电网区域保护方案,CPS终端应具有如图1虚线框内的结构。

图1　CPS终端的结构Fig.1　CPS terminal structure

图1中CPS终端由信息单元和能量传输单元两部分组成,是信息和物理的融合体。信息单元包括同步、传感、通讯、计算和控制等子单元,采用嵌入式系统实现。其中,同步子单元用于接收GPS时钟信息或网络对时信息,以获得采样同步信号;传感子单元用于检测能量传输单元的电流、电压、温度、压力和开关状态等运行信息;通讯子单元用于与其它的CPS终端或控制中心通过网络传递数据和控制指令;计算子单元用于对传感子单元采集的数据和其它CPS终端交换的数据按保护原理进行计算分析并输出控制指令;控制子单元用于接收控制中心和计算子单元输出的控制指令,对能量传输单元进行控制。能量传输单元由导电设备和开关组成,开关可以是普通的断路器、分段器,也可以是具有柔性控制能力的电力电子设备,如AC/AC变换器。

随着智能电网的发展,CPS终端的信息承载和处理能力、能量控制能力将会不断增强,成为智能电网的重要组成部分。

2配电网分区

10 kV配电网多采用通过断路器、分段器将馈线分段,在分段上又引出分支,在分支线上又进行分段的接线方式。配电网的结构决定了保护装置的保护范围不是一段输电导线或一台设备,而是由一段或几段相连的馈线段组成的网络区域。

在传统配电网中,断路器的保护方向是单向的,保护范围是从断路器的安装位置开始到下游最近的断路器(或馈线末端)为止,一台断路器负责一个区域的保护。当配电网由单电源变为多电源后,断路器的保护方向也由单向变为了双向,一台断路器负责两个区域的保护,其范围分别为从断路器安装位置开始向两端延伸直到遇到其它断路器(或馈线末端)为止。

当用CPS终端取代传统配电网中的开关时,按是否有分断故障电流的能力将CPS终端分为断路器CPS终端和分段器CPS终端2类,分别简称为断路器终端和分段器终端。在故障情况下,断路器终端断开其开关切除故障,分段器终端断开其开关隔离故障。图2中,B1～B5为断路器终端、D1～D4为分段器终端、L1～L8为馈线段。

为了描述CPS终端与切除或隔离的故障区域的关系,将配电网做如下分区:

以断路器终端为界,可从配电网中分隔出1个由馈线段和分段器终端组成的子网,这样的子网称为配电区。作为界的断路器终端为配电区的关联终端，与同一配电区关联的终端互为邻接终端。1个配电区有多个关联终端,1个断路器终端可与1或2个配电区关联。如图2所示,(L1，L2，L5，L6，D1，D3)为一个配电区,记为A1;(L3，L4，L7，L8，D2，D4)为另一个配电区,记为A2；(B1，B3，B5)是A1的关联终端;(B2，B4，B5)是A2的关联终端。B5与2个配电区关联,而B1～B4只与1个配电区关联。

配电区子网的连通性取决于其中分段器终端的开关的状态。称配电区内的连通子网为被保护区，被保护区是发生故障时被切除的最小区域。当一个被保护区内发生故障时,将由它的关联断路器终端的开关跳闸来切除。与同一被保护区关联的断路器终端之间为实时邻接关系，如图2所示,当分段器终端D1的开关处于开断状态时,配电区A1被分为2个被保护区,(L1，L5，L6，D3)和(L2).(L1，L5，L6，D3)内的故障由它的关联断路器终端B1和B3开关跳闸切除;(L2)内的故障由它的关联断路器终端B5开关跳闸切除。

以CPS终端(无论是断路器还是分段器)为界,可以分隔出一个仅由馈线段组成的子网,这样的子网称为隔离区。隔离区是故障切除后,恢复供电前被隔离的最小区域。作为隔离区界的CPS终端称为隔离区的关联终端，1个隔离区有多个关联的终端;1个终端可与1或2个隔离区关联。与同一隔离区关联的终端互为邻接终端，如图2所示,(L1，L5)为一个隔离区,它的关联终端为(B1，D1，D3),当(L1，L5)内故障时,可以断开(B1，D1，D3)的开关将故障隔离。

图2　配电网结构示意图Fig.2　Diagram of distribution network

3保护功能实现

本文所述保护方案采用邻接终端间通过网络交换各自检测到的和经过计算的信息,依据判据确定故障是否在关联的被保护区和隔离区内发生,从而完成故障切除和隔离。由于可以得到区域边界完整的运行信息,采用差动、功率方向、相位比较等方法可以快速、准确定位故障区域。下面分4个方面,介绍保护的主要环节。

3.1拓扑分析

拓扑分析是根据配电网的结构和终端开关的实时状态,分析终端与被保护区、隔离区之间的关联关系,以确定故障时哪些终端间应交互信息。

在每一个断路器终端内存储2张拓扑信息表,记为TP1和TP2.TP1和TP2中分别保存与断路器终端关联的2个配电区内的馈线段、分段器终端、关联的断路器终端以及它们之间的拓扑关系。如果断路器仅与1个配电区关联,则TP2为空。TP1和TP2是静态的,只与配电网的构造结构有关,其内容不随配电网的运行方式而变化。在系统初始化时,由配电网控制中心执行全网的拓扑分析,生成每个断路器的TP1和TP2表,并将结果发送到相应的终端。当电网的构造结构发生变化时,控制中心重新填充TP1和TP2内容。

每个断路器终端还维护2张实时邻接表,记为BL1和BL2.BL1和BL2分别保存TP1和TP2中与当前终端为实时邻接关系的断路器终端。属于同一实时邻接表中的断路器终端在故障时交换各自检测到的故障信息,以判断故障是否发生在共同关联的被保护区内。BL1和BL2是动态的,其内容根据配电区内分段器终端开关的实时状态以及TP1或TP2中的信息经拓扑分析得到。为了使断路器终端能及时更新BL表中的内容,终端开关变位时,应立即将变位信息发送至同一配电区的所有关联终端。

为了实现故障隔离,每个CPS终端还需保存2张隔离区邻接终端表,记为DL1和DL2 .故障发生时,同一邻接表中的终端也要交换信息以确定故障发生的准确区域。DL1和DL2也是静态的,其内容由控制中心维护。

拓扑分析功能由运行于控制中心和断路器终端中的计算机程序实现,其流程如图3所示。

a-控制中心拓扑分析流程；b-断路器终端拓扑分析流程图3　拓扑分析流程Fig.3　Process for topology analysis

3.2保护启动

为了保证保护在正常运行时可靠不动作,应设置保护启动环节。可采用躲过正常运行最大工作电流、低电压、负序电压、零序电压或它们组合的启动方式。为了避免逆变型电源短路电流小,某些终端不能可靠启动的问题,可采用已启动的终端向邻接终端发送强制启动信号的方式。

3.3主保护算法

在断路器终端中嵌入被保护区故障判别算法,实现关联被保护区的主保护。在获得区域边界信息的基础上,采用如下方法进行故障判断:

1) 差动电流法，通过计算BL1和BL2中具有实时邻接关系的终端发送的以指向被保护区为正方向的实时电流的和得到区域差动电流。当差动电流大于定值时判断为区内故障。

2) 功率方向法，由检测到的电压和电流计算故障功率的方向,然后向邻接终端发送故障功率指向。若BL1(或BL2)中所有终端的故障功率指向是一致的,则故障发生在所关联的被保护区内。

3) 电流相位比较法，在电压相位一致的情况下,电流相位就可以反映出功率方向。在没有电压测量条件,无法取得功率方向的情况下,可以采用电流相位的比较法。文献[14]在假定配电馈线阻抗角近似取(70°～80°)的条件下,介绍了一种利用电流相位比较判断故障方向的方法。但实际配电网中馈线既有架空线,又有电缆线,电缆的阻抗角一般在(20°～45°)之间。经分析,如果在故障后的电源内电势相位能保持故障前的值不变,在满足式(1)条件的情况下,式(2)可作为一个区域内发生故障的判据

(1)

(2)

这些故障判断方法原理上与故障后逆变型电源的故障电流特性无关,所以能自适应不同的电源类型,与配电网是辐射状还是网状也无关系。

主保护算法运行于各断路器终端内,其流程如图4所示。

图4　主保护流程Fig.4　Process for main protection

3.4后备保护算法

3.4.1开关失灵后备保护

因1个断路器终端关联2个被保护区域,当开关失灵时应由终端关联的另一被保护区(非故障区)的关联终端跳闸来切除故障。如图2所示,A1区发生故障,终端B5开关失灵,应由B5关联的区A2的关联终端B2和B4跳闸将故障切除。为此,在断路器终端内应实现图5所示的失灵保护逻辑。

图5　失灵保护示逻辑Fig.5　Logic for breaker failure protection

3.4.2保护拒动后备保护

当主保护拒动时,故障由控制中心根据CPS终端上报的故障方向信息,搜索故障区域,实现故障切除[7]。为此,在断路器终端中嵌入故障方向判别算法,当故障发生时,先启动主保护算法,当判断为关联被保护区故障时,发出跳闸指令。当判断为非关联被保护区故障时,启动故障方向算法,经延时后保护仍不返回,将判断的故障方向上报控制中心。

故障方向算法如下:

1) 功率方向法。在区域的关联终端中,功率方向指向区外的终端的功率方向是故障的方向。

2) 电流幅值法[7]。如果区域关联终端数大于3,则电流幅值最大的终端指向区外的方向是故障的方向。

3) 电流相位法[14]。如果区域关联终端数大于3,以指向区内为正方向,则与其它终端的电流相位差都接近180°的终端指向区外的方向是故障的方向。

在区域关联终端中,只需经过上述算法判断为指向区外的方向与故障方向一致的那个终端向控制中心上报故障方向即可。

图6　后备保护示意图Fig.6　Diagram of backup protection

如图6所示,故障发生在B5，B6之间,但B5，B6保护拒动。故障发生时(B1，B3，B5)和(B2，B4，B6)保护都启动,经主保护算法判断为区外故障,启动后备保护算法,经故障方向算法判断,B5，B6各自指向区外的方向与故障方向一致。若经延时后保护仍不返回,B5，B6向控制中心上报故障方向信息,控制中心根据上报的故障方向,经搜索将故障定位在B5，B6之间,向B5，B6发出跳闸指令,切除故障。

4信息缺失情况的讨论

本保护方案的正确性依赖于信息传输的可靠性,当由于某些原因使CPS终端不能得到完整的信息时,可能出现错判和误判。在信息不完整的情况下可以闭锁保护,故障由后备保护动作切除。下面假定允许在信息不完整情况下动作,讨论不同故障判断方法的性能。

1) 差动电流法。一个通讯通道的电流缺失使故障区域差流减小,而非故障区域差流增加,因此增加了保护拒动和误动的可能性。逆变器类电源提供的短路电流一般限制为额定电流的1.5～2倍,电机类电源提供的短路电流可达额定电流的10～20倍,所以缺失逆变器类电源的电流信息对差动电流法影响较小。

2) 功率方向法除。上面提到的3种情况外,还可能由于故障发生在终端附近,无法计算功率方向而缺失。由于反向的信息实际对非故障区的保护起闭锁作用,所以对故障区缺失信息不会造成拒动;对非故障区,缺失反向信息将造成误动。

3) 电流相位比较法。在信息缺失情况下的性能与功率方向法相同。

因1个断路器关联2个保护区域,当断路器明确判断为关联的一个被保护区发生故障后,就向关联的另一被保护区组发送闭锁信号,可减少由于信息缺失引起的误动。

5结论

本文提出的多电源配电网CPS保护方案,能克服目前基于单端信息保护方案的弊端。故障区判断算法即适用于辐射型网络也适用于环型网络,而且逆变型电源的故障电流特性不影响故障判断的正确性。提出的方案在大多数情况下,只在邻接终端间交换信息,网络负担小,同时采用分布计算判断故障区域,减小了控制中心的计算压力。故障定位和隔离可以在分段器终端中运行与断路器终端中相似的算法来实现,这样就可以将保护与故障定位和隔离问题集成解决,如在终端中扩展非故障区恢复供电的配电网自愈算法,就可实现完整的配电网自动化。

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(编辑：刘笑达)

Protection Scheme for Distribution Network with Multi-Generators Based on CPS

ZHANG Xuejuna,GUO Wenhuab,TIAN Junmeib

(a.DepartmentofElectricPowerEngineering，b.DepartmentofPowerEngineering，ShanxiUniversity,Taiyuan030006，China)

Abstract:The traditional protection scheme can not meet the requirements of relay protection in distribution network due to the penetration of distributed generators. Based on the ideas of the CPS(Cyber Physical System), an area protection scheme for distribution network with distributed generators is proposed in the paper. The distribution network is split into several areas by CPS protection terminals.The terminals associated with the same area exchange information through the communication network so that each terminal can get related area’s operating parameter at boundaries. The computer program which is embedded in terminals deals with the obtained information in real time and decides whether fault has happened in the area, so as to implement protection for distribution network.

Key words:distributed generators;distribution network;relay protection;regional protection;cyber physical system

文章编号:1007-9432(2016)02-0259-05

*收稿日期：2015-09-16

作者简介：张学军(1964-)，男，山西平遥人，副教授，主要从事电力系统仿真及智能电网研究，(E-mail)tyzxj6409@126.com

中图分类号:TM77

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.026